Fyysikot ovat osoittaneet kaikki atomikellolaitteiden komponentit, jotka mittaavat aikaa mittaamalla pienet energian siirtymät atomi ytimessä. Tällaiset kellot voivat johtaa tarkkuusmittausten merkittäviin parannuksiin sekä uusiin oivalluksiin perusfysiikassa.

Tutkijat mittasivat valon taajuuden, joka saa harvinaisen isotooppin torium -229 ytimet siirtymään korkeampaan energiatilaan - atomikellon "kello" - tarkkuudella 100 000 kertaa korkeampi kuin edellinen paras arvo. He saavuttivat tämän synkronoimalla energian muuttoliikkeen maailman tarkimman kellon kellon kanssa. Työtä johti Jun Ye Jilassa, tutkimuslaitoksessa Boulderissa, Coloradossa, ja julkaistu 5. syyskuuta Nature. "Se on todella yksi mielenkiintoisimmista lehdistä viimeaikaisessa muistissa", sanoo Newarkin Delawaren yliopiston ydinfyysikko Marianna Safronova.

Läpimurto tapahtui tutkimalla torium-229-ytimiä laserlaitteella, jota kutsutaan taajuuskammana. Asennus ei ole teknisesti kello, koska sitä ei ole vielä käytetty ajan mittaamiseen. Mutta tällaiset vaikuttavat tulokset tekevät atomikellon kehityksen mahdolliseksi, Safronova sanoo.

Kellon mittaukset ovat jo osoittautuneet hyödyllisiksi hiukkasfysiikassa, sanoo Leibniz Universityn Hannoverin teoreettinen fyysikko Elina Fuchs. Ja koska kellon taajuus määrää ydinvoimat, jotka pitävät ytimen yhdessä, prototyyppi voitaisiin määrittää, onko tumman aineen tyyppi - näkymätön aine, joka muodostaa noin 85% maailmankaikkeuden aineesta - vaikuttaa näihin voimiin pienessä mittakaavassa. "Tämä on uusi, suora ikkuna ydinvoimaan", Fuchs sanoo.

Ultimate -kellot

Maailman parhaat kellot, joita kutsutaan atomikelloksi, mittaavat aikaa laserien avulla - valon tiheys on viritetty tarkasti energian saavuttamiseksi elektronien siirtämiseksi kahden atomin energiatason välillä. Tarkka atomikello saavuttaa tai menettää vain yhden sekunnin joka 40 miljardia vuotta. Atomikello toimisi hiukan eri tavalla: kello vastaa protonien ja neutronien energiasiirtymiä elektronien sijasta, koska ne tulevat innostuneeseen tilaan.

Tämä energiansiirto vaatii hiukan korkeamman, ultraviolettitaajuuden, mikä johtaa nopeampaan ajoitukseen, joka voi vastata tai ylittää atomikellon tarkkuuden. Mutta atomikellon suurin potentiaalinen etu on sen tarkkuuden ja vakauden yhdistelmässä. Ytimen hiukkaset ovat vähemmän herkkiä kuin elektronit häiriöihin, kuten sähkömagneettisiin kenttiin - tarkoittaen, että atomikello voisi olla kannettava ja vankka. "Se on herkistetty tavalla, jota on vaikea kuvitella sen suhteen, kuinka kellamme toimivat tänään", sanoo Anne Curtis, kokeellinen fyysikko kansallisessa fyysisessä laboratoriossa Teddingtonissa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Mutta oikean tyyppisen atomi-ytimen löytäminen sen siirtämiseen ja toiseen energiatilaan tarvittavan taajuuden käyttämiseen ja määrittämiseen on ollut fyysikoille 50-vuotias. 1970-luvulla epäsuorat todisteet viittasivat siihen, että torium-229: llä oli omituisen vähä energinen ydinmuutos-sellainen, joka lopulta saattaa laukaista pöytäplasma. Mutta vasta viime vuonna tutkijat löysivät tarvittavan taajuuden - ja tänä vuonna he aloittivat siirtymisen onnistuneesti laserilla.

Jila-tiimi etsi siirtymätaajuutta biljoonia torium-229-atomeja upotettuna kiteeseen käyttämällä järjestelmää, joka tunnetaan taajuuskammana. Kamma luo sarjan lasertaajuuslinjoja, jotka ovat säännöllisesti ja tasaisesti etäisyydellä. Tämän ansiosta tutkijat voivat valaisemaan kristallia monilla tarkalla taajuudella kerralla etsiä osumaa sen sijaan, että skannataan työstöisesti mahdollisten vaihtoehtojen spektrin läpi yhden taajuuden laserilla.

Komman asetukset - mukaan lukien linjojen välisten rakojen leveys tai "hampaat" - kalibroitiin käyttämällä atomikelloa ja niitä voitiin säätää. Ryhmä suoritti useita kokeellisia ajoja, ja kun he havaitsivat ominaisen hehkua, joka tapahtuu, kun torium-229-atomit hajoavat viritetystä tilastaan, he käyttivät asetuksia laskemaan signaalia hallitsevan taajuuden.

Siirtymisen havaitseminen ensimmäistä kertaa ”tuntui hämmästyttävästä”, sanoo Study-kirjailija Chuanankun Zhang, Jilan fyysikko. "Teimme testejä koko yön tarkistaaksemme, oliko tämä todellakin etsimämme signaali", hän sanoo.

Perusvoimat

Taajuuskammion erityistä on se, että se antaa fyysikot mitata kellon taajuuskelloa - tässä torium -229 -ydin - suhteessa toiseen tunnetulle taajuudelle, tässä tapauksessa atomikelloa. Tämä ei vain antanut joukkueelle mahdollisuuden määrittää absoluuttisen taajuusarvo erittäin tarkasti, vaan myös avasi mielenkiintoisia mahdollisuuksia fysiikassa, Zhang sanoo.

Jos yhden kellon kello muuttuu ajan myötä toiseen, se voi osoittaa, että energiatasot määrittävät tekijät - kuten vahva ydin- tai sähkömagneettinen voima - ajavat tai vaihtelevat, Fuchs sanoo. Tietyillä pimeän aineen 'kevyillä ”muotoilla, joilla on erittäin matala massa, uskotaan olevan tämä vaikutus, hän sanoo.

Mahdolliset voimien muutokset monistettaisiin ytimen sisäisen muuttoliikkeen taajuudella, joten atomikellot voisivat olla noin 100 miljoonaa kertaa herkempiä tämän tyyppisen tumman aineen kuin atomien kellot. Viimeisin tulos - joka osoittaa taajuuden tarkkuuteen 13 desimaalin tarkkuudella - on jo riittävän tarkka kaventaakseen mahdollisia energia -alueita, joissa vaaleaa pimeää ainetta voi olla, sanoo Fuchs. Ydinfysiikka voisi hyötyä myös tarkemmasta siirtymätaajuudesta, mikä voisi auttaa tutkijoita erottamaan torium-229-ytimen eri mahdolliset muodot.

Mutta enemmän työtä on tehtävä, ennen kuin atomikellot voivat ylittää atomikellot - jotka ovat tällä hetkellä tarkkoja 19 desimaaliin. Tutkijat tutkivat, onko järkevää pitää torium -229 upotettuna kiteeseen - kiinteä on kätevä puettavan kellon tekemiseen - vai tuovatko yksittäisten atomien rajoittaminen parempia tuloksia.

Laserjärjestelmä on myös optimoitava. "Onneksi tällä hämmästyttävällä tekniikalla on suuri potentiaali", sanoo Texas A&M -yliopiston fyysikko Olga Kocharovskaya College Stationissa. Se on "lähteen prototyyppi, jota käytetään tulevassa kellossa", hän lisää.